EP0348247A1 - Procedure to determine and to reconstruct spatial coordinates of each of the points of a collection of points sampling a three-dimensional surface and reconstruction of that surface from these coordinates - Google Patents
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- EP0348247A1 EP0348247A1 EP89400854A EP89400854A EP0348247A1 EP 0348247 A1 EP0348247 A1 EP 0348247A1 EP 89400854 A EP89400854 A EP 89400854A EP 89400854 A EP89400854 A EP 89400854A EP 0348247 A1 EP0348247 A1 EP 0348247A1
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Abstract
Description
La présente invention concerne, d'une manière générale, le problème de la réalisation d'une image trimensionnelle d'une surface quelconque à partir d'images bi-dimensionnelles de ladite surface. Elle trouve une application importante, mais non exclusive, dans le domaine de la "vidéo sculpture".The present invention relates, in general, to the problem of producing a three-dimensional image of any surface from two-dimensional images of said surface. It finds an important, but not exclusive, application in the field of "video sculpture".
L'invention vise notamment un procédé de détermination des coordonnées spatiales de chacun d'un ensemble de points appartenant à ladite surface trimensionnelle et échantillonnant cette dernière, à partir desdites images préenregistrées. Grâce aux données procurées ainsi, l'invention permet une commande optimale d'une machine-outil à commande numérique pour usiner ladite image tridimensionnelle dans un matériau, dans le cadre de son application à la "vidéo sculpture".The invention relates in particular to a method of determining the spatial coordinates of each of a set of points belonging to said three-dimensional surface and sampling the latter, from said prerecorded images. Thanks to the data thus obtained, the invention allows optimal control of a numerically controlled machine tool to machine said three-dimensional image in a material, within the framework of its application to "video sculpture".
On connaît un tel procédé permettant, dans l'art antérieur, de réaliser l'image tridimensionnelle d'un buste à partir d'une série d'images vidéo. Le sujet est assis sur un fauteuil tournant et son buste est éclairé au moyen d'un laser fournissant un faisceau plat lamellaire. L'intersection du faisceau plat avec le buste du sujet donne une courbe (ou profil) que l'on échantillonne, les coordonnées spatiales des points source des échantillons étant déterminées au moyen d'un procédé de type connu, tel que celui enseigné dans le brevet français 81.24418. Le fauteuil sur lequel est assis le sujet effectue une rotation pas à pas et à chaque fois une courbe est ainsi numérisée. En une rotation complète, on obtient ainsi un nombre prédéterminé de courbes (par exemple 512) échantillonnées chacune en un nombre prédéterminé de points (par exemple 512). Le buste est ainsi numérisé sous la forme des coordonnées X-Y-Z de chacun des points mémorisées (au nombre de 262.144 dans l'exemple ci-dessus).Such a method is known which makes it possible, in the prior art, to produce the three-dimensional image of a bust from a series of video images. The subject is seated on a swivel chair and his chest is lit by a laser providing a flat lamellar beam. The intersection of the flat beam with the subject's bust gives a curve (or profile) that is sampled, the spatial coordinates of the source points of the samples being determined by means of a known type process, such as that taught in the French patent 81.24418. The chair on which the subject is seated rotates step by step and each time a curve is digitized. In a complete rotation, a predetermined number of curves (for example 512) are thus obtained, each sampled at a predetermined number of points (for example 512). The bust is thus digitized in the form of the X-Y-Z coordinates of each of the memorized points (262,144 in the example above).
L'étape suivante consiste à traiter les points numérisés ainsi obtenus de façon à générer des ordres permettant de commander la machine-outil, de telle sorte que cette dernière sculpte dans une matière solide telle que de l'aluminium ou du bois l'image tridimensionnelle du buste.The next step is to process the digital points thus obtained so as to generate orders allowing the machine tool to be controlled, so that the latter sculpts the three-dimensional image from a solid material such as aluminum or wood. of the bust.
La présente invention apporte notamment un perfectionnement au procédé décrit ci-dessus.The present invention provides in particular an improvement to the method described above.
Le procédé connu jusqu'à présent présente, en effet, un certain nombre d'inconvénients, notamment dans la phase de traitement des informations et de génération des signaux électriques susceptibles de commander la machine-outil, cette phase étant communément appelée dans les milieux spécialisés, phase de CFAO (conception et fabrication assistées par ordinateur).The process known so far has, in fact, a certain number of drawbacks, in particular in the phase of processing information and generating electrical signals capable of controlling the machine tool, this phase being commonly called in specialized circles. , CAD / CAM phase (computer-aided design and manufacturing).
Ainsi, le procédé d'éclairement du buste n'est pas parfait en ce sens que la peau ou les cheveux du sujet réfléchissent la lumière émise par le laser de façon variable, ce qui peut se traduire par des points suréclairés ou des points sous-éclairés. Dans certaines circonstances, la peau ou les cheveux du sujet peuvent présenter une faible albébo, ce qui signifie que le point éclairé ne réfléchit pas de lumière. Dans un tel cas, la trace enregistrée par la caméra vidéo comporte des absences de points créant des ruptures de continuité de la trace. On considère alors qu'il existe des points "manquants" qui auraient dû combler les vides ou les ruptures de con tinuité. Ces points "manquants" correspondent aux points de buste présentant un faible albédo.Thus, the method of illuminating the bust is not perfect in that the subject's skin or hair reflects the light emitted by the laser in a variable manner, which can result in over-illuminated points or under-points. enlightened. In certain circumstances, the subject's skin or hair may have a weak albébo, which means that the illuminated point does not reflect light. In such a case, the track recorded by the video camera includes the absence of points creating breaks in the continuity of the track. We then consider that there are "missing" points which should have filled the gaps or breaks in continuity. These "missing" points correspond to the bust points with low albedo.
A l'inverse, des points de fort albédo peuvent réfléchir la lumière de façon très forte et diffractent la lumière sur d'autres parties du buste, la trace enregistrée n'étant pas continue et comportant en fait divers points extérieurs à la trace normale. Il s'agit dans un tel cas de points que l'on qualifie "d'aberrants".Conversely, strong albedo points can reflect light very strongly and diffract light on other parts of the bust, the recorded track not being continuous and in fact comprising various points outside the normal track. In such a case, these points are called "outliers".
Dans l'un et l'autre cas, l'usinage, sous le contrôle de la CFAO, manque de précision, ce qui génère des erreurs préjudiciables pour la qualité du produit fini.In both cases, machining, under the control of CAD / CAM, lacks precision, which generates errors detrimental to the quality of the finished product.
Une autre série d'inconvénients est également due au fait que le procédé utilisé pour déterminer les coordonnées spatiales à partir des coordonnées des points image enregistrés par la vidéo, fait appel à des formules trigonométriques telles que celles décrites dans le brevet 81.24418 mentionné plus haut. Il s'ensuit un manque de précision. Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de détermination des coordonnées spatiales des points considérés, plus précis et plus fiable.Another series of drawbacks is also due to the fact that the method used to determine the spatial coordinates from the coordinates of the image points recorded by the video, uses trigonometric formulas such as those described in the patent 81.24418 mentioned above. This results in a lack of precision. It is therefore desirable to have a more precise and more reliable method of determining the spatial coordinates of the points considered.
Par ailleurs, la Demanderesse a constaté qu'il était souhaitable d'orienter l'outil de telle sorte qu'il attaque la matière sous un angle correspondant à la normale à la surface devant être réalisée, ce qui permet d'obtenir un meilleur fini et un meilleur rendu de la pièce. L'art antérieur ne prévoit pas une telle hypothèse puisque la machine qui est utilisée n'est commandée que selon trois degrés de liberté, ce qui ne permet que de positionner de façon correcte la fraise attaquant la matière, mais ne permet pas de positionner l'angle d'attaque de cette fraise par rapport à la matière. Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé permettant de commander et de contrôler autant que possible l'angle d'attaque de l'outil par rapport à la matière.Furthermore, the Applicant has found that it is desirable to orient the tool so that it attacks the material at an angle corresponding to the normal to the surface to be produced, which allows a better finish to be obtained. and a better rendering of the part. The prior art does not provide for such an assumption since the machine which is used is controlled only according to three degrees of freedom, which only allows to correctly position the cutter attacking the material, but does not allow to position the angle of attack of this cutter relative to the material. It is therefore desirable to have a method for controlling and controlling as much as possible the angle of attack of the tool relative to the material.
Enfin, la Demanderesse a constaté que dans certaines zones telles que les yeux ou la bouche, si l'angle d'attaque de la fraise est normal à la surface à usiner, il risque de se produire une collision entre l'arbre porte-outil et la matière usinée. Par conséquent, dans ces hypothèses, il faut pouvoir rectifier, de façon automatique dans toute la mesure du possible, la position de l'arbre porte-outil de telle sorte que l'outil attaque la matière sous un angle favorable mais que l'on évite, autant que possible, les collisions entre l'arbre porte-outil et la matière. A cet égard, il est donc souhaitable de disposer dans la CFAO d'une phase permettant de déterminer la direction optimale de l'arbre porte-outil.Finally, the Applicant has noted that in certain areas such as the eyes or the mouth, if the angle of attack of the cutter is normal to the surface to be machined, there is a risk of collision between the tool-holding shaft and the material being machined. Consequently, in these hypotheses, it is necessary to be able to automatically correct, as far as possible, the position of the tool-holder shaft so that the tool attacks the material at a favorable angle but that avoids, as much as possible, collisions between the tool-holder shaft and the material. In this regard, it is therefore desirable to have a phase in CAD / CAM to determine the optimal direction of the tool-holder shaft.
La présente invention résout l'ensemble de ces problèmes.The present invention solves all of these problems.
Elle vise notamment en effect un procédé de détermination de coordonnées spatiales de chacun des points d'un ensemble de points source appartenant à une surface comportant une étape d'acquisition de données dans laquelle on éclaire avec un faisceau plan de lumière la surface, on enregistre avec au moins une caméra au moins une image de la trace laissée par le faisceau plan sur la surface, la trace laissée par le faisceau plan de lumière sur la surface étant dite "profil source", l'image de cette trace dans un plan image de la caméra étant dite "profil image", on déplace relativement le faisceau plan et la surface et on enregistre avec ladite caméra à nouveau au moins une image de la trace laissée par le faisceau plan sur la surface, on recommence les opérations de déplacement relatif, d'éclairage et d'enregistrement de sorte que l'on enregistre ainsi une pluralité de profils image constituant un échantillonnage de l'image de l'ensemble de la surface, le procédé comportant une étape de traitement au cours de laquelle, notamment, on considère les coordonnées lignes-colonne (Col,Lig) d'un ensemble de points image échantillonnant chaque image profil dans le plan image de ladite caméra, procédé caractérisé en ce que, mettant en oeuvre les considérations suivant lesquelles :
- - dans le plan du faisceau lumineux, on choisit un axe directeur et on affecte des coordonnées dites "spatiales" (R,H), à chaque point dudit plan, R étant la distance entre le point considéré et l'axe directeur, H étant l'ordonnée de ce point sur cet axe ;
- - on prend en compte les formules suivantes de transformation des coordonnées (Col,Lig) de chacun des points du plan image de la caméra en coordonnées spatiales (R, H) du point source correspondant : 1
- . on enregistre l'image de séries juxtaposées de quatre points source de référence situés dans le plan de la lumière et dont les coordonnées spatiales (R, H) dans ce plan sont connues ; on relève les coordonnées images (Col,Lig) de l'image de chacun de ces points pour chaque série de quatre points source de référence et on résout la formule de transformation (1 ce qui donne huit valeurs de coefficients de transformation ai par série de quatre points de référence ; on considère le barycentre de chacune des séries de quatre points de référence et on affecte à ce dernier les coefficients de transformation ai ainsi déterminés ; on considère des zones d'interpolation Tk de forme triangulaire délimitées par des segments de droite joignant lesdits barycentres de séries voisines, ces barycentres constituant les sommets desdites zones triangulaires Tk ; on utilise la formule d'interpolation suivante pour chaque coefficient de transformation a;:
(2) ai = βij Col + βi2 Lig + pi3 - . on détermine vingt-quatre coefficients d'interpolation (pij) par zone triangulaire d'interpolation (Tk) en résolvant la formule d'interpolation (2) pour chacun des coefficients de transformation (ai) affecté à un sommet de zone triangulaire d'interpolation Tk ;
- ce procédé consiste en outre, dans ladite phase de traitement, pour déterminer les coordonnées spatiales (R,H) d'un point source dont on connaît les coordonnées images (CoI,Lig) de son image, à effectuer les opérations suivantes :
- - rechercher, dans une opération de recherche, la zone d'interpolation (Tk) à laquelle le point appartient, ainsi que les coefficients d'interpolation (βij) associés à cette zone.
- - calculer, dans une opération de calcul, les coordonnées spatiales (R, H) par application concomitante desdites formules de transformation (1) et d'interpolation (2).
- - in the plane of the light beam, a director axis is chosen and so-called "spatial" coordinates (R, H) are assigned to each point of said plane, R being the distance between the point considered and the director axis, H being the ordinate of this point on this axis;
- - the following formulas for transforming the coordinates (Col, Lig) of each of the points of the image plane of the camera into spatial coordinates (R, H) of the corresponding source point are taken into account: 1
- . the image of juxtaposed series of four reference source points located in the plane of light and whose spatial coordinates (R, H) in this plane are known are recorded; the image coordinates (Col, Lig) of the image of each of these points are noted for each series of four reference source points and the transformation formula is solved (1 which gives eight values of transformation coefficients a i per series of four reference points; we consider the barycenter of each series of four reference points and we assign to the latter the transformation coefficients ai thus determined; we consider interpolation zones T k of triangular shape delimited by segments of straight line joining said barycenters of neighboring series, these barycenters constituting the vertices of said triangular zones T k ; the following interpolation formula is used for each transformation coefficient a ;:
(2) ai = βij Col + βi2 Lig + pi3 - . twenty-four interpolation coefficients (pi j ) are determined per triangular interpolation zone (T k ) by solving the interpolation formula (2) for each of the transformation coefficients (a i ) assigned to a vertex of triangular zone interpolation T k ;
- this method also consists, in said processing phase, in determining the spatial coordinates (R, H) of a source point of which the image coordinates (CoI, Lig) of its image are known, in carrying out the following operations:
- - Search, in a search operation, the interpolation zone (T k ) to which the point belongs, as well as the interpolation coefficients (βij) associated with this zone.
- - calculate, in a calculation operation, the spatial coordinates (R, H) by concomitant application of said transformation (1) and interpolation (2) formulas.
Selon un autre aspect de l'invention, il est mis en oeuvre une phase d'homogénéisation au cours de laquelle, pour chacun des points traités (P,.n), on considère un nombre prédéterminé de points voisins, on calcule les coordonnées moyennes de ces points, si le point traité est absent, ou si l'une au moins de ses coordonnées diffère de la coordonnée moyenne correspondante d'un écart supérieur à une valeur prédéterminée (E), on affecte au point traité lesdites coordonnées moyennes.According to another aspect of the invention, a homogenization phase is implemented during which, for each of the points treated (P, .n), a predetermined number of neighboring points is considered, the mean coordinates are calculated of these points, if the processed point is absent, or if at least one of its coordinates differs from the corresponding average coordinate by a deviation greater than a predetermined value (E), said treated coordinates are assigned to the treated point.
Ainsi, grâce à ces dispositions, on dispose d'une méthode fiable et précise pour déterminer et/ou reconstituer les coordonnées spatiales d'un ensemble de points à partir de leurs coordonnées dans le plan image de la caméra.Thus, thanks to these provisions, there is a reliable and precise method for determining and / or reconstructing the spatial coordinates of a set of points from their coordinates in the image plane of the camera.
De plus, grâce à la phase d'homogénéisation, on pallie les inconvénients liés aux points de faible ou de trop forte albédo sur la surface à reproduire.In addition, thanks to the homogenization phase, the disadvantages associated with weak or too strong albedo points on the surface to be reproduced are overcome.
La présente invention vise également un procédé de vidéo sculpture, notamment du type tel que succinctement rappelé ci-dessus, pouvant, avantageusement, mettre en oeuvre le procédé de détermination et/ou de reconstitution des coordonnées spatiales énoncé ci-dessus, notamment caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une machine-outil adaptée à commander un outil selon cinq degrés de liberté, à savoir trois degrés de liberté permettant le positionnement de cet outil dans l'espace, compte tenu desdites coordonnées spatiales et deux degrés de liberté déterminant un angle d'attaque de l'outil de telle sorte que l'outil soit généralement dirigé selon la normale à la surface devant être réalisée et en ce que l'on procède à une détection des parties concaves de la surface, pour corriger l'angle d'attaque de l'outil pour éviter autant que possible une interaction entre l'outil et la matière usinée, au cours de laquelle :
- - on considère la trace laissée par ladite surface dans un plan perpendiculaire à un axe directeur et passant par le point en cours de traitement (Pi,n), cette trace étant dite sécante (Si),
- - on considère également un profil source θn auquel appartient le point traité (Ri, Hi, θn),
- - on détecte les parties concaves du profil en effectuant les opérations suivantes :
- . on considère un vecteur normal (
DN θn, i-1,DN θn,i+1) à chacun des deux points voisins (Ri-1,Hi-1,θn) et (Ri+1,Hi+1,θn), du point traité (Ri,Hi,θn) - . on calcule le produit vectoriel desdits vecteurs normaux (
DN θn,i-1,DN θn,i+1) au profil aux points voisins du point traité ; on détermine ainsi un coefficient de convexité QD; associé au point en traitement (Ri, Hi, θn), - . si le coefficient de convexité est négatif, le profil source est concave au point traité, et on calcule la somme (
ED θn. i) desdits vecteurs normaux au profil, aux deux points voisins du point traité, (DN θn,i-1, DN θn,i+1), - . on mémorise ce vecteur somme ( ED θn,i),
- . on considère alors l'ensemble des points traités appartenant à un même profil (θn) ; on associe à chacun de ces points soit le vecteur normal au profil au point considéré, lorsque le coefficient de convexité QD considéré est positif, soit le vecteur somme, lorsque le coefficient de convexité (QD) est négatif,
- . lorsque l'ensemble des points appartenant à un même profil est traité, on recommence un nombre prédéterminé de fois le traitement du profil en utilisant les vecteurs effectivement associés (
DN en, i,ED θn,i) au point traité (Ri, H;, θn). - - on procède à un traitement analogue pour chacune des traces sécantes (S;) et on associe à chacun des points traités (Ri, Hi, θn) un vecteur correspondant soit à la normale à ladite trace sécante Si au point traité SN en,i, soit à un vecteur somme, ES θn,i) des vecteurs effectivement associés aux points voisins (Ri, H;, θn-1) (Ri, Hi, θn+1) au point traité (Ri, Hi, θn).
- et, pour chaque point, on dirige l'outil selon la direction des vecteurs effectivement associés audit point, dans la place de son profil (On) et dans celui de la trace sécante (Si) à laquelle il appartient.
- - we consider the trace left by said surface in a plane perpendicular to a director axis and passing through the point being processed (Pi, n), this trace being said to be secant (Si),
- - we also consider a source profile θ n to which the treated point belongs (Ri, Hi, θ n ),
- - the concave parts of the profile are detected by performing the following operations:
- . we consider a normal vector (
DN θ n, i-1 ,DN θ n, i + 1 ) at each of the two neighboring points (R i-1 , H i-1 , θn) and (R i + 1 , H i + 1 , θn), of the point treated (R i , H i , θ n ) - . the vector product of said normal vectors is calculated (
DN θ n, i-1 ,DN θ n, i + 1 ) to the profile at the points close to the point treated; a coefficient of convexity QD is thus determined; associated with the point in processing (Ri, Hi, θ n ), - . if the convexity coefficient is negative, the source profile is concave at the point treated, and the sum is calculated (
ED θ n . i) of said normal vectors in the profile, at the two points adjacent to the point treated, (DN θ n, i-1 , DN θ n, i + 1 ), - . we store this sum vector (ED θ n, i ),
- . we then consider all the points treated belonging to the same profile (θ n ); we associate with each of these points either the normal vector with the profile at the point considered, when the convexity coefficient QD considered is positive, or the sum vector, when the convexity coefficient (QD) is negative,
- . when all the points belonging to the same profile are processed, the processing of the profile is repeated a predetermined number of times using the vectors actually associated (
DN in, i,ED θ n, i ) at the treated point (Ri, H ;, θ n ). - - we proceed to an analogous treatment for each of the secant traces (S;) and we associate with each of the treated points (Ri, Hi, θ n ) a vector corresponding either to the normal to said intersecting trace If at the treated point SN in, i, or to a sum vector, ES θ n, i ) of the vectors actually associated with the neighboring points (Ri, H ;, θ n-1 ) (Ri, Hi, θ n + 1 ) at the treated point (Ri, Hi, θ n ).
- and, for each point, the tool is directed in the direction of the vectors actually associated with said point, in the place of its profile (On) and in that of the secant trace (Si) to which it belongs.
Grâce à ces dispositions, on contrôle de façon optimale l'outil, tout en évitant, de façon automatique le plus souvent, toute interférence entre l'outil et la matière.Thanks to these provisions, the tool is optimally controlled, while avoiding, most often automatically, any interference between the tool and the material.
Les caractéristiques et avantages ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- - la figure 1 est une vue schématique des moyens mettant en oeuvre un procédé de vidéo sculpture conforme à l'invention,
- - la figure 2 est une vue schématique illustrant la position relative du laser et des caméras illustrés en figure 1,
- - les figures 2a et 2b illustrent une variante de réalisation,
- -la figure 3 est une vue schématique d'une surface tridimensionnelle à reproduire,
- - la figure 4 illustre, de façon schématique, un profil image tel qu'enregistré par chacune des caméras de la figure 1,
- - la figure 5 illustre le profil source correspondant au profil image de la figure 4,
- -la figure 6 est une vue schématique d'une mire de calibration du système de vision,
- - la figure 7 est une vue schématique d'une autre mire de calibration permettant une calibration plus précise de chacune des caméras,
- - la figure 8 est un schéma fonctionnel des principaux moyens mis en oeuvre dans le mode de réalisation décrit et représenté,
- - la figure 9 est un organigramme simplifié de transformation réalisant l'une des étapes illustrées en figure 8,
- - La figure 10 est une illustration de cinq profils source du sujet illustré en figure 3,
- - les figures 11 à 13 illustrent un profil source présentant une partie concave et les étapes permettant de corriger la direction de l'outil pour éviter une interaction outil-matière et,
- - les figures 14 et 15 illustrent une trace "sécante" présentant une partie concave.
- FIG. 1 is a schematic view of the means implementing a video sculpture method according to the invention,
- FIG. 2 is a schematic view illustrating the relative position of the laser and the cameras illustrated in FIG. 1,
- FIGS. 2a and 2b illustrate an alternative embodiment,
- FIG. 3 is a schematic view of a three-dimensional surface to be reproduced,
- FIG. 4 schematically illustrates an image profile as recorded by each of the cameras in FIG. 1,
- FIG. 5 illustrates the source profile corresponding to the image profile of FIG. 4,
- FIG. 6 is a schematic view of a calibration test pattern for the vision system,
- FIG. 7 is a schematic view of another calibration target allowing a more precise calibration of each of the cameras,
- FIG. 8 is a functional diagram of the main means used in the embodiment described and shown,
- FIG. 9 is a simplified transformation flow diagram carrying out one of the steps illustrated in FIG. 8,
- - Figure 10 is an illustration of five source profiles of the subject illustrated in Figure 3,
- FIGS. 11 to 13 illustrate a source profile having a concave part and the steps making it possible to correct the direction of the tool to avoid a tool-material interaction and,
- - Figures 14 and 15 illustrate a "secant" trace having a concave part.
On va tout d'abord brièvement décrire un mode de réalisation du procédé selon l'invention et les moyens le mettant en oeuvre pour avoir une vue générale. On décrira ensuite plus en détail certaines phases du procédé.We will first briefly describe an embodiment of the method according to the invention and the means implementing it to have a general view. We will then describe in more detail certain phases of the process.
la figure 1 illustre de façon générale des moyens mettant en oeuvre un procédé de vidéo sculpture comportant le procédé de réalisation d'une image tridimensionnelle selon la présente invention.FIG. 1 illustrates in general terms means implementing a video sculpture method comprising the method for producing a three-dimensional image according to the present invention.
Le procédé de vidéo sculpture illustré comporte, de façon classique, trois étapes principales mises en oeuvre par des ensembles de moyens :
- - l'ensemble A permet l'acquisition de l'information,
- - l'ensemble B permet le traitement de l'information,
- - l'ensemble C est une utilisation de l'information, en l'espèce usinage de l'objet copié au moyen d'une machine-
outil 18.
- - the set A allows the acquisition of information,
- - the set B allows the processing of information,
- the assembly C is a use of the information, in this case machining of the object copied by means of a
machine tool 18.
L'acquisition de l'information se fait en plaçant l'objet à copier sur une table 10 ou le sujet dont on désire modeler le buste sur un siège 10'. La table 10 et le siège 10' sont rotatifs et entraînés à cet effet par un moteur pas à pas non représenté. Le sujet ou l'objet sont éclairés au moyen d'un laser 12. Dans le mode de réalisation choisi et représenté, un seul laser éclaire le sujet ou l'objet. Deux caméras 13a, 13b filment l'objet ou le sujet alors que la table 10 ou le siège 10' effectue un tour complet. Les pas angulaires de la table ou du siège sont ici de 1° en sorte que deux magnétoscopes 14a, 14b respectivement raccordés aux caméras 13a, 13b enregistrent ainsi chacun 360 images p de l'objet ou du sujet éclairé par le laser 12 (voir figure 3).The information is acquired by placing the object to be copied on a table 10 or the subject whose bust is to be modeled on a seat 10 '. The table 10 and the seat 10 'are rotary and driven for this purpose by a stepping motor not shown. The subject or object is illuminated by means of a
Sur la figure 3, on a illustré un sujet 20 et deux traces p laissées par le laser 12. Le double système d'acquisition des données 13a, 14a et 13b, 14b enregistre ainsi une pluralité de traces ou "profils" p réalisant, de ce fait, un échantillonnage de l'image de l'ensemble de la surface du buste 20 du sujet.In FIG. 3, a subject 20 and two traces p left by the
Avant de poursuivre la présente description, il est donné les définitions suivantes :
- - "point source" : point appartenant à la surface extérieure de l'objet ou du sujet que l'on veut reproduire,
- - "profil source" : trace p laissée par le laser sur le buste 20 ou l'objet à reproduire,
- - "point image" : image d'un point source enregistré par la caméra 13a et/ou la caméra 13b, dans un "plan image" appartenant à la caméra considérée. Le point image est caractérisé par ses coordonnées (Col,Lig) dans le plan image ainsi qu'il ressortira du reste de la description,
- - "profil image" : image du profil source dans le plan image de la caméra considérée.
- - "source point": point belonging to the external surface of the object or subject that we want to reproduce,
- - "source profile": trace p left by the laser on the
bust 20 or the object to be reproduced, - - "image point": image of a source point recorded by the
camera 13a and / or thecamera 13b, in an "image plane" belonging to the camera considered. The image point is characterized by its coordinates (Col, Lig) in the image plane as will emerge from the rest of the description, - - "image profile": image of the source profile in the image plane of the camera considered.
La figure 2 illustre schématiquement la disposition relative des deux caméras 13a, 13b et du laser 12. L'ensemble est vu du dessus, la tête du sujet portant la référence 20, l'axe 120 du laser 12 et celui (130a, 130b) de chacune des caméras 13a, 13b se coupe sur un axe vertical Z correspondant à l'axe de rotation du siège 10' sur lequel est assis le sujet. L'axe Z est dit, dans la suite de la description, "axe directeur". On observe que l'axe Z débouche de la tête 20 sensiblement au milieu de cette dernière. Les axes 130a, 130b, sont inclinés d'un angle 8 de 30° par rapport à l'axe 120 du laser 12. Ce dernier émet un faisceau de lumière plan qui laisse une trace, également appelée profil et référencée sur la figure 2 en p, sur la tête et sur le buste du sujet.FIG. 2 schematically illustrates the relative arrangement of the two
On choisit l'une des deux caméras, la caméra 13a en l'espèce, comme caméra directrice. En règle générale, cette dernière voit en permanence et dans sa totalité la trace du faisceau laser sur la tête et le buste du sujet. Cependant, dans certaines zones, la trace p est partiellement cachée, et ne peut être vue de la caméra directrice 13a (voir par exemple la figure 2 : au niveau du nez, la trace p est, pour une portion de son étendue tout au moins, masquée). Aussi, dans un tel cas, on utilisera les données issues de la caméra secondaire 13b, qui, s'agissant de l'exemple illustré en figure 2 tout au moins, voit la portion masquée de la trace p. Plus loin, dans la description, il sera expliqué comment un fichier directeur Fla, associé à la caméra directrice 13a, est complété par les données issues de la caméra secondaire 13b.One of the two cameras is chosen,
Il convient ici d'observer que le mode d'acquisition des données est particulièrement bien adapté à une surface présentant une forme variable sur les 360° de sa périphérie.It should be noted here that the mode of data acquisition is particularly well suited to a surface with a variable shape over the 360 ° of its periphery.
Cependant, une telle disposition n'est pas impérative. En effet, au lieu de placer l'objet à reproduire sur un plateau tournant, on pourra, par exemple, le disposer sur un plateau animé d'un mouvement de translation de telle sorte que les traces seront alors parallèles entre elles et parallèles à un axe directeur solidaire de l'objet, cet axe se déplaçant parallèlement à lui-même. Ce pourra être le cas lorsque l'objet à reproduire est par exemple une carte en relief dont la représentation mathématique est de la forme : z = f(x, y) et dont seule une face est à reproduire. En revanche, lorsque l'objet doit être reproduit dans son ensemble, on utilisera le procédé du plateau tournant décrit plus haut.However, such a provision is not imperative. In fact, instead of placing the object to be reproduced on a turntable, one could, for example, place it on a plate with a translational movement so that the traces will then be parallel to each other and parallel to a directing axis integral with the object, this axis moving parallel to itself. This could be the case when the object to be reproduced is for example a relief map whose mathematical representation is of the form: z = f (x, y) and of which only one face is to be reproduced. On the other hand, when the object must be reproduced as a whole, the process of the turntable described above will be used.
A propos du mode de réalisation illustré, on notera par ailleurs que, avantageusement, compte tenu de la forme de l'objet, ou de la morphologie du sujet, il est possible de paramétrer les déplacements angulaires pour obtenir plus d'images sur les zones de l'objet du sujet dont la surface est sujette à de brusques variations (par exemple le nez du sujet) et moins d'images dans les zones où la surface est plus régulière (par exemple, la nuque du sujet).Regarding the illustrated embodiment, it will also be noted that, advantageously, taking into account the shape of the object, or the morphology of the subject, it is possible to configure the angular displacements to obtain more images on the zones. of the subject's object whose surface is subject to sudden variations (for example the subject's nose) and fewer images in the areas where the surface is more regular (for example, the subject's nape).
Dans l'exemple illustré, les données sont enregistrées sur un premier ensemble de magnétoscopes 14a, 14b, un autre ensemble de magnétoscopes 14'a, 14'b étant utilisé pour le traitement de l'information. Ceci permet de décentraliser la phase de traitement par rapport à celle d'acquisition.In the example illustrated, the data are recorded on a first set of
En figure 2a, il est illustré une variante de réalisation de l'ensemble d'acquisition de données mettant en oeuvre une seule caméra 13c et deux lasers 12a, 12b. Cette figure illustre schématiquement la disposition relative des deux lasers et de la caméra. L'ensemble est vu du dessus, la tête du sujet portant aussi la référence 20. L'axe 130c de la caméra et celui (120a, 120b) de chacun des lasers 12a, 12b se coupent sur un axe vertical Z correspondant à l'axe de rotation du siège 10' sur lequel est assis le sujet. Les axes 120a, 120b sont inclinés de 30° par rapport à l'axe 130c de la caméra. Les lasers 12a, 12b émettent chacun un faisceau de lumière. Ce faisceau laisse sur la tête du sujet et son buste une trace, référencée sur la figure 2a en p (trace laissée par le laser de gauche 12a) et en p' (trace laissée par le laser de droite 12b).In FIG. 2a, an alternative embodiment of the data acquisition assembly using a
En règle générale, la caméra voit en permanence les deux traces des lasers sur la tête de la personne. Ces deux traces sont complètement séparées car elles ne peuvent avoir de point commun que sur l'axe de rotation Z. Les moyens électroniques ne prennent en considération que l'une des traces, en l'espèce la trace p', laissée par le laser de droite 12b. Cependant, comme précédemment, dans certaines zones, la trace de droite sera cachée (zone masquée par le nez du sujet, par exemple). Aussi, dans un tel cas, la caméra 13c ne peut voir cette trace ou tout du moins la portion de celle-ci qui est masquée par le nez. Dans ce cas, les moyens électroniques prennent en compte la trace de gauche vue par la caméra lorsque la tête a pivoté de 60° comme illustré en figure 2b. En effet, la trace p laissée par le laser de gauche 12a (de la figure 2b) est identique à celle (p') laissée par le laser de droite 12b de la figure 2a. Grâce à cette disposition, on peut ainsi compenser et retrouver les zones masquées par le nez ou les oreilles par exemple.As a rule, the camera constantly sees the two traces of the lasers on the person's head. These two traces are completely separate because they can only have a common point on the axis of rotation Z. The electronic means take into consideration only one of the traces, in this case the trace p ', left by the laser right 12b. However, as before, in some areas, the right trace will be hidden (area hidden by the subject's nose, for example). Also, in such a case, the
Cette variante de réalisation présente pour avantages d'alléger sensiblement le dispositif d'acquisition des données puisque l'on fait l'économie d'une deuxième caméra et de deux magnétoscopes. Cependant, cette variante de réalisation présente, par rapport au mode préféré de réalisation choisi, deux inconvénients : d'une part, la mise en oeuvre de la prise en compte des 60° de décalage complique sensiblement le traitement et, d'autre part, les contraintes mécaniques sont telles que le profil p' (figure 2a) ne coïncide pas parfaitement avec le profil p (figure 2b) une fois que la tête a pivoté de 60° : en effet, le sujet est incapable de rester parfaitement immobile pendant ce temps. C'est pourquoi, en définitive, le Demanderesse a préféré mettre en oeuvre le mode de réalisation décrit à l'appui des figures 1 et 2. Cependant, la variante illustrée à l'appui des figures 2a et 2b démontre qu'il existe divers procédés permettant d'enregistrer l'ensemble de la surface à reproduire, y compris les parties cachées. Aussi, la présente invention englobe-t-elle à cet égard toutes variantes susceptibles d'arriver à ce résultat.This variant of embodiment has the advantages of significantly reducing the data acquisition device since there is a saving of a second camera and two video recorders. However, this alternative embodiment has two drawbacks compared to the preferred embodiment chosen: on the one hand, the implementation of taking into account the 60 ° offset significantly complicates the treatment and, on the other hand, the mechanical stresses are such that the profile p '(Figure 2a) does not perfectly coincide with the profile p (Figure 2b) once the head has rotated 60 °: indeed, the subject is unable to remain perfectly still during this time. This is why, ultimately, the Applicant preferred to implement the embodiment described in support of Figures 1 and 2. However, the variant illustrated in support of Figures 2a and 2b demonstrates that there are various processes for recording the entire surface to be reproduced, including the hidden parts. Also, the present invention encompasses in this regard all variants capable of achieving this result.
Le signal analogique issu des caméras 13a, 13b enregistré dans les magnétoscopes 14a, 14b et délivré par les magnétoscopes 14'a, 14'b se présente sous la forme d'une série de courbes (les profils p). Les courbes sont sensiblement continues et présentent des points très éclairés et des points faiblement éclairés.The analog signal from the
Chacune de ces courbes est numérisée dans les moyens électroniques 15, de façon connue en soi, au moyen d'un convertisseur analogique-numérique qui délivre les coordonnées image (ligne, colonne), d'une suite d'échantillons représentatifs de chacune des courbes. Le brevet français 81.24418 décrit un mode préféré de réalisation permettant de réaliser cette numérisation, et par conséquent le convertisseur 15 ne sera pas décrit plus en détail ici.Each of these curves is digitized in the
Cependant, la Demanderesse a constaté que pour des raisons d'ordre technique et économique, l'objet ou le sujet à reproduire étant disposé sur un support rotatif, les coordonnées les plus facilement exploitables et les plus économiques du point de vue taille mémoire à utiliser sont les coordonnées dites "cylindriques" (R ,H, 0), R correspondant à la distance entre un point de la surface et l'axe de Z tandis que H correspond à l'ordonnée le long de l'axe des Z et 0 correspond à la coordonnée angulaire du profil source (intersection d'un axe X' appartenant à un référentiel solidaire du buste 20, figure 3, avec l'axe X dans le plan XY fixe).However, the Applicant has found that for technical and economic reasons, the object or the subject to be reproduced being arranged on a rotary support, the coordinates which are most easily exploitable and most economical from the point of view of the memory size to be used. are the so-called "cylindrical" coordinates (R, H, 0), R corresponding to the distance between a point on the surface and the axis of Z while H corresponds to the ordinate along the axis of Z and 0 corresponds to the angular coordinate of the source profile (intersection of an axis X 'belonging to a reference frame secured to the
La coordonnée 0 correspond en fait au pas (ou à un nombre de pas prédéterminé et paramétrable) du moteur commandant la rotation du siège 10'. Une impulsion est enregistrée dans la bande son des magnétoscopes 14a, 14b à chaque pas du moteur ; comme par ailleurs, la bande son est synchronisée avec la prise d'image, on connaît la position du moteur (et par conséquent l'angle 0) à chaque prise d'image.The coordinate 0 corresponds in fact to the step (or to a predetermined and configurable number of steps) of the motor controlling the rotation of the seat 10 '. An impulse is recorded in the soundtrack of the
Les moyens de traitement B de l'invention comportent, outre les magnétoscopes 14'a, 14'b et le convertisseur 15 des moyens 17 procédant à une reconstitution des coordonnées cylindriques des points source à partir des coordonnées image de chacun des échantillons composant les profils. Le procédé de reconstitution mis en oeuvre par les moyens de transformation 17 est décrit plus loin.The processing means B of the invention comprise, in addition to the video recorders 14'a, 14'b and the
En sortie des moyens de transformation 17, on dispose d'informations portant sur les coordonnées cylindriques d'un nombre prédéterminé de points représentatifs de la surface tridimensionnelle, ici celle du buste 20 à reproduire.At the output of the transformation means 17, there is information relating to the cylindrical coordinates of a predetermined number of points representative of the three-dimensional surface, here that of the
Les moyens de traitement de l'information B comportent un ensemble de CFAO composé de deux modules 16 et 19 raccordé aux moyens de transformation 17. Cet ensemble traite les coordonnées issues des moyens 17 et permet la commande d'une machine-outil 18. Cet ensemble met en oeuvre, notamment par des moyens informatiques, un procédé décrit en détail plus loin.The information processing means B comprise a set of CAD / CAMs composed of two
Les moyens de transformation 17, et l'ensemble CFAO 16, 19 sont, dans le mode de réalisation préféré présentement décrit, constitués par un micro-ordinateur 21 réalisant les fonctions des moyens 17, 16 et 19 décrites plus loin et contrôlant, de surcroît, le convertisseur 15. Le micro-ordinateur 21 est ici un ordinateur IBM, modèle commercialisé sous la référence AT3.The transformation means 17, and the CAD /
Enfin, la machine-outil 18 qui, ici, est du type NC-TRIAX-R6-2-TWIST, fabriquée par la Société italienne CMS, permet de sculpter dans un matériau tel que du bois, de la résine ou de l'aluminium, une forme reproduisant sensiblement celle du buste du sujet assis dans le siège 10' ou celle de l'objet à reproduire disposé sur la table 10.Finally, the
En résumé, dans le mode de réalisation présentement décrit, le procédé traitant des données issues du convertisseur 15 comporte trois phases :
- - une phase de passage des coordonnées image des points image enregistrés aux coordonnées cylindriques de leurs points source. C'est la fonction des moyens de
transformation 17, - - une phase d'homogénéisation des points, (fonction du module 16),
- - une phase de détermination de la normale à la surface et de correction de cette normale, pour déterminer la direction de l'outil (fonction du module 19).
- - a phase of passing the image coordinates of the recorded image points to the cylindrical coordinates of their source points. This is the function of the means of
transformation 17, - - a point homogenization phase, (function of module 16),
- - a phase of determining the normal to the surface and correcting this normal, to determine the direction of the tool (function of module 19).
Dans la description qui va suivre, on va décrire en détail chacune de ces trois phases. On commencera par expliquer tout d'abord la structure des données fournies par le système de vision constitué ici par les caméras, lés faisceaux laser, les magnétoscopes et le convertisseur.In the description which follows, we will describe in detail each of these three phases. We will begin by first explaining the structure of the data provided by the vision system constituted here by the cameras, the laser beams, the video recorders and the converter.
Chacune des 360 images enregistrées correspond à un profil source, caractérisé par l'angle On formé entre l'axe X' et l'axe des X dans le plan X-Y.Each of the 360 recorded images corresponds to a source profile, characterized by the angle On formed between the axis X 'and the axis of X in the plane X-Y.
On notera dans la suite de la description que 6 désigne tout à la fois la coordonnée angulaire d'un profil source, le plan contenant ce profil source caractérisé par sa coordonnée angulaire 0, et le profil image correspondant au profil source 0. La variable 0 est indicée notamment selon n, n correspondant au numéro d'ordre du profil source ou image considéré.It will be noted in the following description that 6 designates both the angular coordinate of a source profile, the plane containing this source profile characterized by its angular coordinate 0, and the image profile corresponding to the
Chaque caméra vidéo 13a, 13b est une caméra par exemple de type THOMSON TAV-1033-NEWICON délivrant 316 lignes par image et 1024 pixels par ligne. Aussi, les profils image θn sont-ils en fait constitués par une succession de points caractérisés par leur coordonnée dans l'image vidéo enregistrée, ces dernières correspondant en fait à celles du pixel. En effet, pour un pixel donné, on connaît la ligne sur laquelle il est disposé (coordonnée Lig variant de 0 à 315) et la position du pixel dans cette ligne (coordonnée Col variant de 0 à 1023).Each
Un point quelconque du profil image On est donc défini par ses coordonnées : (Col, Lig, θn).Any point in the image profile On is therefore defined by its coordinates: (Col, Lig, θ n ).
En figure 4, on a illustré de façon schématique, un profil image On tel qu'enregistré par la caméra vidéo. On a schématisé par une croix le pixel éclairé à l'occasion de la prise d'images. Chaque image est constituée par 316 lignes ordonnées de 0 à 315, 1024 pixels étant susceptibles d'être éclairés sur une ligne. On a indiqué, à titre indicatif, pour le profil On illustré, le numéro du pixel éclairé au-dessus de la croix schématisant ce pixel. Ainsi, dans l'exemple illustré en ligne 1, le pixel n° 480 est éclairé, en ligne 3, le pixel n° 500 est éclairé, etc.In FIG. 4, a schematic image On has been illustrated diagrammatically as recorded by the video camera. The pixel illuminated when taking images was shown diagrammatically by a cross. Each image consists of 316 ordered lines from 0 to 315, 1024 pixels being capable of being lit on one line. The number of the illuminated pixel above the cross diagramming this pixel has been indicated, for information, for the illustrated profile On. Thus, in the example illustrated in
Pour chaque point du profil θn, on dispose donc de ses coordonnées image (Col, Lig, θn). A titre d'exemple, celles du point situé sur la sixième ligne de la figure 4 sont : (502,6, θn).For each point of the profile θ n , we therefore have its image coordinates (Col, Lig, θ n ). For example, those of the point located on the sixth line in Figure 4 are: (502.6, ,6 n ).
Les moyens de transformation 15 mettent en oeuvre un fichier image FI dans lequel les coordonnées image des points constituants les divers profils sont stockées de la manière suivante :
- - le fichier image contient séquentiellement les ordonnées des pixels du profil, sur une ligne considérée,
- - chaque coordonnée est codée sur un mot de 16 bits.
- - the image file sequentially contains the ordinates of the pixels of the profile, on a line considered,
- - each coordinate is coded on a 16-bit word.
Le code d'un point image se fait de la façon suivante :
A chaque profil image correspond un ensemble séquentiel de 316 mots. Les profils sont séparés par le mot: 0 0 0000 0000000000. Le numéro du profil en cours de lecture est inscrit dans un compteur.Each image profile corresponds to a sequential set of 316 words. The profiles are separated by the word: 0 0 0000 0000000000. The number of the profile being read is entered in a counter.
Le tableau Il ci-dessous illustre à propos du profil θn la structure du fichier FI de la figure 4.
En se référant à la figure 4 et au tableau II, on observe que chaque ligne peut comporter soit :
- - 1 point dans une zone médiane a,
- - 1 point dans des zones latérales b,
- - aucun point dans ces zones. Il s'agit en fait de points insuffisamment éclairés pour les raisons expliquées ci-après.
- - 1 point in a middle zone a,
- - 1 point in lateral zones b,
- - no points in these areas. These are in fact insufficiently clarified points for the reasons explained below.
Ainsi, en lignes 2 et 310, aucun pixel n'est éclairé. En revanche, en lignes 5 et 312, des pixels respectivement 720 et 250 se trouvent situés dans les zones latérales b. Ces points sont dits "aberrants".Thus, in
En effet, le système de vision utilisé est tel qu'il est possible que certains points de l'objet ou du sujet ne réfléchissent pas suffisamment la lumière laser et, même, au contraire l'absorbent. Ces points sont des points dits "de faible albédo". Dans un tel cas, la lumière réfléchie étant insuffisante, le pixel concerné ne se trouve pas éclairé. C'est pourquoi en lignes 2 et 310, dans l'exemple illustré en figure 4, aucun pixel ne se trouve éclairé.Indeed, the vision system used is such that it is possible that certain points of the object or of the subject do not sufficiently reflect the laser light and, even, on the contrary, absorb it. These points are so-called "low albedo" points. In such a case, the reflected light being insufficient, the pixel concerned is not illuminated. This is why in
En revanche, il est possible que certains pixels se trouvent éclairés, ces pixels ne correspondant pas à des points du sujet appartenant au profil éclairé : ce sont ici les points "aberrants" des lignes 5 et 312 (par exemple pour cause de reflet de la lumière laser dans les cheveux du sujet).On the other hand, it is possible that certain pixels are lit, these pixels not corresponding to points of the subject belonging to the lit profile: these are the "outliers" points of lines 5 and 312 (for example due to reflection of the laser light in the subject's hair).
On décrit plus loin une caractéristique de l'invention permettant de reconstituer les points manquants et de détecter les points aberrants.A characteristic of the invention is described below which makes it possible to reconstruct the missing points and to detect the outliers.
En définitive, on observera qu'en sortie du convertisseur 15 et en entrée des moyens de transformation 17, on dispose d'un fichier récapitulant de façon séquentielle les coordonnées (Col, Lig, 0) d'ensembles de 316 points appartenant à 360 profils.Ultimately, it will be observed that at the output of the
Le problème posé est celui de permettre le passage des coordonnées image d'un point (Col, Lig, 0) aux coordonnées spatiales de son point source, ces coordonnées spatiales étant en l'espèce choisies de type cylindrique (R, H, 0).The problem posed is that of allowing the passage of the image coordinates of a point (Col, Lig, 0) to the spatial coordinates of its source point, these spatial coordinates being in this case chosen of cylindrical type (R, H, 0) .
Ce problème n'est pas simple car il s'agit de passer d'un système de coordonnées dans un plan particulièrement réduit, celui de la cellule de la caméra, à des coordonnées spatiales, en trois dimensions.This problem is not simple because it involves moving from a coordinate system in a particularly reduced plane, that of the camera cell, to three-dimensional spatial coordinates.
Une première méthode consiste à déterminer, de façon mathématique, pour chaque point du plan image les coordonnées cylindriques (R, H, 0) du point source correspondant, étant entendu que l'angle θ est celui défini plus haut, ces coordonnées étant mémorisées dans un fichier et la transformation coordonnées image (Col, Lig, 0) en coordonnées cylindriques (R, H et 0) se faisant par simple lecture du fichier.A first method consists in determining, mathematically, for each point of the image plane the cylindrical coordinates (R, H, 0) of the corresponding source point, it being understood that the angle θ is that defined above, these coordinates being stored in a file and the transformation of image coordinates (Col, Lig, 0) into cylindrical coordinates (R, H and 0) by simply reading the file.
Cette méthode, bien qu'elle entre dans le cadre général de la présente invention, n'est pas satisfaisante techniquement et économiquement au moment du dépôt de la présente demande, car elle exige une taille mémoire particulièrement importante. Il est cependant possible qu'elle soit techniquement et économiquement envisageable dans un proche avenir et que la présente invention englobe une telle méthode.This method, although it falls within the general framework of the present invention, is not technically and economically satisfactory at the time of filing of the present application, because it requires a particularly large memory size. It is however possible that it is technically and economically possible in the near future and that the present invention encompasses such a method.
La Demanderesse a par conséquent utilisé et amélioré une technique permettant de transformer les coordonnées image en coordonnées cylindriques utilisant une taille mémoire relativement restreinte.The Applicant has therefore used and improved a technique for transforming image coordinates into cylindrical coordinates using a relatively small memory size.
En fait, s'agissant des coordonnées cylindriques (R, H, 0), le problème se pose essentiellement pour la détermination des coordonnées R et H, l'angle 0 étant l'angle entre l'axe des X' et l'axe des X (figure 2), cet angle étant donné par la position du moteur pas à pas animant le siège 10'.In fact, as regards the cylindrical coordinates (R, H, 0), the problem arises essentially for the determination of the coordinates R and H, the
Le modèle mathématique suivant est utilisé :
Le problème qui se pose donc ici est donc de déterminer les coefficients de transformation ai à appliquer aux coordonnées ligne-colonne de tous les points de l'espace susceptibles d'être filmés par les caméras 13a, 13b, pour obtenir les coordonnées cylindriques correspondantes pour chacun de ces points.The problem which therefore arises here is therefore to determine the transformation coefficients ai to be applied to the row-column coordinates of all the points of space capable of being filmed by the
A cet effet, on procède à une étape de "calibration" de chacune des caméras 13a, b, in situ. C'est l'objet de la phase de calibration décrite ci-après au paragraphe 3.1.To this end, a "calibration" step is carried out for each of the
Une fois ces coefficients de transformation déterminés comme il sera décrit ci-après, on peut procéder grâce aux équations indiquées sous (1) ci-dessus à la transformation proprement dite des coordonnées ligne-colonne des points délivrés par le convertisseur 15 pour chacun des systèmes de vision 13a, 13b. On génère ainsi deux fichiers dits "spatiaux" FSa et FSb (Cf. paragraphe 3.2. ci-après).Once these transformation coefficients have been determined as will be described below, it is possible, using the equations indicated under (1) above, to transform the row-column coordinates of the points delivered by the
La méthode de base utilisée pour la calibration est la suivante :
- On utilise une mire de calibration telle qu'illustrée en figure 6, comportant une plaque rectangulaire 41 de hauteur H et de largeur R dans l'exemple considéré R = H = 50 cm) et d'épaisseur e (1 cm ici).
La plaque 41 est munie de quatre piges constituées par des cylindres métalliques (référencées A, B, C, D dans l'exemple) de rayon r et de hauteur h prédéterminés (dans l'exemple considéré r = 1 mm et h = 2 cm). On connaît la position spatiale des piges A - D et, notamment, leurs coordonnées (RA, HA), (RB, HB), (RC, HC) et (RD, HD). Sur la figure 6, on a illustré l'axe des Z, le long duquel les coordonnées H sont mesurées et un axe R, perpendiculaire à l'axe des Z, le long duquel les coordonnées R peuvent être mesurées. On a également illustré, sur cette figure, les coordonnées (RA, HA) de la pige A.
- A calibration target is used as illustrated in FIG. 6, comprising a
rectangular plate 41 of height H and width R in the example considered R = H = 50 cm) and of thickness e (1 cm here). Theplate 41 is provided with four pins formed by metal cylinders (referenced A, B, C, D in the example) of radius r and height h predetermined (in the example considered r = 1 mm and h = 2 cm ). The spatial position of the rods A - D is known and, in particular, their coordinates (RA, HA), (RB, HB), (RC, HC) and (RD, HD). In FIG. 6, the Z axis is illustrated, along which the H coordinates are measured and an R axis, perpendicular to the Z axis, along which the R coordinates can be measured. The coordinates (RA, HA) of the rod A have also been illustrated in this figure.
On filme la mire ainsi constituée au moyen de chacune des caméras 13. On a illustré sur cette figure, sous la référence 42, l'axe de vision de la caméra 13a et sous la référence 43, le plan lamellaire de lumière issu du laser. Ce plan lamellaire est parallèle à la plaque 41, tandis que l'axe de vision 42 de la caméra 13 s'incline de 30° par rapport au plan lamellaire de lumière et intercepte la plaque 41 au barycentre 0 des quatre piges A - D.The test pattern thus formed is filmed by means of each of the
Le système de vision enregistre donc les coordonnées image correspondant aux quatre piges : (ColA, LigA), (ColB, LigB), (CoIC, LigC) et (ColD, LigD).The vision system therefore records the image coordinates corresponding to the four rods: (ColA, LigA), (ColB, LigB), (CoIC, LigC) and (ColD, LigD).
A partir des équations (1) ci-dessus, il est possible de former un système de huit équations à huit inconnues (les ai) et comme parmi les quatre points A - D, il n'existe aucun sous-ensemble de trois points alignés, le système d'équations admet une solution à la fois unique et non aberrante.From equations (1) above, it is possible to form a system of eight equations with eight unknowns (ai) and as among the four points A - D, there is no subset of three aligned points , the system of equations admits a solution which is both unique and non-aberrant.
Le modèle mathématique (1) ci-dessus utilisé avec les ai ainsi déterminés donne à l'évidence une solution exacte pour les quatre points A-D. Cependant, à cause des non-linéarités optiques du système de vision, la précision des coordonnées RH pour les autres points se dégrade. On a observé que l'erreur est en fait minimale au barycentre des autres points A-D.The mathematical model (1) above used with the ai thus determined obviously gives an exact solution for the four points A-D. However, due to the optical non-linearities of the vision system, the accuracy of the RH coordinates for the other points deteriorates. It has been observed that the error is in fact minimal at the barycenter of the other points A-D.
Pour minimiser cette erreur, selon une caractéristique de cet aspect de l'invention, on procède de le façon suivante. On utilise une mire de calibration se présentant sous la forme d'une plaque carrée 53 dont les dimensions correspondant à la plus grande dimension de l'objet ou du sujet que l'on souhaite reproduire en trois dimensions (voir figure 7). Dans l'exemple considéré, la mire présente une hauteur et une largeur de 1 m. On dispose une pluralité de piges 51 en ligne et en colonne de façon à définir une pluralité de carrés 52. Dans le mode de réalisation choisi et représenté, on divise ainsi la plaque 53 de calibration en 25 carrés sur chacun des coins desquels une pige de calibration 51 est disposée. Chaque pige est caractérisée par ses coordonnées ligne - colonne (i, j). Ainsi, la pige (i, j) est la pige de la ième ligne et de la jème colonne.To minimize this error, according to a characteristic of this aspect of the invention, the procedure is as follows. A calibration target is used, which is in the form of a
On met en place la mire de calibration 50 comme montré en figure 6. On a illustré sur la figure 7 un axe des Z et un axe R respectivement parallèles à deux côtés perpendiculaires de la mire de calibration 51. En connaissant les coordonnées (R,H) des piges 51, on peut déterminer, pour chacun des barycentres 54 de chacun des carrés 52, les coefficients αi afférents au carré considéré, en appliquant les équations (1) ci-dessus. On affecte alors à chacun des barycentres 54 les coefficients ai correspondants.The
On considère ensuite les triangles Tk dont les sommets sont constitués par les barycentres 54 de carrés voisins. Ces triangles Tk sont illustrés en figure 7 en traits mixtes. Les triangles Tk sont ici au nombre de 32 et sont numérotés (k variant de 1 à 32).We then consider the triangles T k whose vertices are formed by the
Pour assurer une continuité du modèle mathématique utilisé, il est considéré que les coefficients ai sont des polynomes de degré 1 en Col, Lig sur chacun des triangles Tk. Ainsi, les coefficients ai sont de la forme :
(2) ai = βi1Col + Pi2Lig + βi3 To ensure continuity of the mathematical model used, it is considered that the coefficients ai are polynomials of
(2) ai = β i1 Col + Pi 2 Lig + β i3
Pour chacun des triangles Tk, on connaît les coefficients ai permettant de déterminer les coordonnées R, H de chacun de ses sommets.For each of the triangles T k , we know the coefficients ai making it possible to determine the coordinates R, H of each of its vertices.
On dispose donc, pour chaque triangle Tk, et pour chaque αi afférent à un sommet, d'un système de trois équations à trois inconnues (les βij) que l'on peut résoudre pour déterminer ces inconnues.We therefore have, for each triangle T k , and for each α i pertaining to a vertex, a system of three equations with three unknowns (the β ij ) which we can solve to determine these unknowns.
En résumé, la méthode est donc la suivante :
- - pour chacun des barycentres 54, on détermine les coefficients αi permettant de déterminer les coordonnées spatiales (R, H), compte tenu des coordonnées image (Col, Lig) enregistrées par le système de vision, et compte tenu du fait que l'on connaît les coordonnées spatiales (R, H) des piges 51 visionnées par le système de vision,
- - à partir des coefficients ai affectés à chacun des barycentres, on détermine les coefficients βij pour les triangles Tk considérés.
- - for each of the
barycenters 54, the coefficients α i are used to determine the spatial coordinates (R, H), taking into account the image coordinates (Col, Lig) recorded by the vision system, and taking into account that the we know the spatial coordinates (R, H) of therods 51 viewed by the vision system, - - from the coefficients ai assigned to each of the barycenters, the coefficients β ij are determined for the triangles T k considered.
Par conséquent, on dispose ainsi d'une méthode d'interpolation permettant de faire varier continuellement les coefficients ai, compte tenu de la position des points disposés à l'intérieur d'un triangle Tk donné et, notamment de leur rapprochement ou de leur éloignement d'un sommet considéré.Consequently, there is thus an interpolation method making it possible to continuously vary the coefficients ai, taking into account the position of the points arranged inside a given triangle T k and, in particular their approximation or their distance from a vertex considered.
Avec chacune des caméras 13a, 13b, on filme la mire 50 une fois pour toutes, et on procède aux calculs des coefficients βij afférents à chacune des caméras.With each of the
Une fois que les coefficients βij ont été déterminés pour les deux caméras, celles-ci sont alors "calibrées" et on peut transformer les coordonnées (Col, Lig) issues du convertisseur 15 en coordonnées spatiales (R,H).Once the coefficients β ij have been determined for the two cameras, these are then "calibrated" and the coordinates (Col, Lig) from the
Comme expliqué plus haut, chaque caméra 13a, 13b filme une série de profils source, chacun des profils image résultant étant échantillonné par le convertisseur 15 de telle sorte qu'en sortie de ce convertisseur, on dispose des coordonnées (CoI,Lig) d'un ensemble d'échantillons permettant de reconstituer chacun des profils considérés.As explained above, each
La figure 8 est un schéma fonctionnel des principaux moyens mis ici en oeuvre. La fonction des caméras 13a, 13b et celle de leurs magnétoscopes associés 14a, 14'a, 14b, 14'b y ont été représentés de façon schématique. Sur cette figure, on a également représenté schématiquement les fonctions principales effectuées par le convertisseur 15 et les moyens transformation 17.Figure 8 is a block diagram of the main means implemented here. The function of the
Le convertisseur 15 comporte essentiellement des moyens de conversion analogique-numérique fonctionnant selon le principe décrit dans le brevet français 81.24418 cité plus haut. Ces moyens de conversion portent la référence 151. Les coordonnées (Col,Lig) pour chacun des points des profils image délivrées par chacune des caméras sont en fait enregistrées dans deux fichiers image Fla, Flb. Le fichier Fla est associé au système de vision comportant la caméra 13a, le magnétoscope 14a et le magnétoscope 14'a, tandis que le fichier Flb est associé au deuxième système de vision (caméra 13b, magnétoscopes 14b et 14'b). Ainsi, seules les coordonnées des points en provenance de ce second système de vision sont enregistrées dans le fichier Flb, tandis que seules les coordonnées des points issus du premier système de vision sont enregistrées dans le fichier Fia.The
Les moyens de transformation 17 comportent un fichier de transformation 171a (171b) associé à chacune des caméras 13a, 13b. Chaque fichier 171a (171b) contient un nombre d'enregistrements égal au nombre de triangles Tk considéré (ici 32). Chaque enregistrement comporte :
- - le numéro du triangle Tk considéré,
- - les coordonnées de chacun des sommets de ce triangle (barycentres 54),
- - les coefficients Pli associés à ce triangle pour la caméra considérée 13a(13b) (obtenus lors de la calibration de ces caméras). Comme exposé plus haut, la calibration de chaque caméra est faite in situ préalablement à toute exploitation commerciale du procédé. Sur la figure 8, la calibration des caméras, permettant de constituer les fichiers 171a, 171b, est schématisée en Ca et Cb).
- - the number of the triangle T k considered,
- - the coordinates of each of the vertices of this triangle (barycentres 54),
- - the coefficients Pli associated with this triangle for the camera considered 13a (13b) (obtained during the calibration of these cameras). As explained above, the calibration of each camera is done in situ before any commercial exploitation of the process. In FIG. 8, the calibration of the cameras, making it possible to constitute the
171a, 171b, is shown diagrammatically in C a and C b ).files
Les moyens de transformation 17 comportent également, d'une part un fichier spatial FSa constitué des coordonnées cylindriques obtenues après transformation des coordonnées image contenues dans le fichier image Fla et, d'autre part, un fichier FSb constitué des coordonnées cylindriques obtenues après transformation des coordonnées image dans le fichier image Flb.The transformation means 17 also comprise, on the one hand a spatial file FSa consisting of the cylindrical coordinates obtained after transformation of the image coordinates contained in the image file Fla and, on the other hand, an FSb file consisting of the cylindrical coordinates obtained after transformation of the image coordinates in the Flb image file.
A partir des coordonnées image d'un point quelconque, contenues dans l'un des fichiers Fla ou Flb, on calcule, au moyen d'une méthode itérative, les coordonnées spatiales R, H correspondant à ce point.From the image coordinates of any point, contained in one of the Fla or Flb files, the spatial coordinates R, H corresponding to this point are calculated, using an iterative method.
En figure 8, l'étape itérative de transformation a été schématisée en 172a, pour les coordonnées issues du fichier Fla, et en 172b pour les coordonnées issues du fichier Flb. La figure 9 représente un organigramme simplifié de transformation, réalisant l'étape 172a ou 172b. On ne décrira que l'étape 172a, l'étape 172b étant identique.In FIG. 8, the iterative transformation step has been shown diagrammatically in 172a, for the coordinates originating from the Fla file, and in 172b for the coordinates originating from the Flb file. FIG. 9 represents a simplified flowchart of transformation, performing step 172a or 172b. Only step 172a will be described, step 172b being identical.
On traite chacun des points contenus dans le fichier Fla de façon séquentielle. Le traitement d'un point déterminé, ayant des coordonnées (Lig, Col) comporte une lecture dans le fichier Fla, et une inscription en mémoire, comme schématisé en 180. L'étape de transformation décrite vise à calculer les coordonnées (R, H) correspondant aux coordonnées (Lig, Col). Pour ce faire, lors d'une première étape d'initialisation 181, on initialise au départ de chaque traitement d'un point image déterminé, en mettant la mémoire qui doit contenir les coordonnées du point source (R,H) à zéro. Le processus itératif est alors le suivant : en 182, lors d'une seconde étape d'initialisation, on initialise deux variables intermédiaires (Ro, Ho) en mettant ces variables intermédiaires égales au contenu de la mémoire (R,H). La variable K, qui correspond au numéro du triangle est, elle aussi, initialisée à zéro. En 183, on incrémente cette variable k. En 184, on vient lire dans le fichier 171 a les coordonnées du triangle Tk, ainsi que le jeu du coefficient (3;i associé au triangle Tk considéré.Each of the points contained in the Fla file is treated sequentially. The processing of a determined point, having coordinates (Lig, Col) includes a reading in the file Fla, and an entry in memory, as shown diagrammatically in 180. The transformation step described aims to calculate the coordinates (R, H ) corresponding to the coordinates (Lig, Col). To do this, during a
En 185, on procède à un test d'appartenance pour déterminer si le point ayant pour coordonnées les variables intermédiaires (Ro, Ho) appartient ou non au triangle Tk. Pour ce faire, on fait des tests de comparaisons successives de coordonnées selon une méthode de recherche classique bien connue de l'homme de l'art qui sait, connaissant les coordonnées d'un point dans un plan déterminé, à quelle région de ce plan appartient ce point. Si le test 185 est négatif, on revient en 183 où l'on incrémente la variable k. Lorsque le test est positif, c'est-à-dire que l'on a déterminé le triangle Tk auquel appartient le point ayant les coordonnées intermédiaires (Ro, Ho), on passe à une étape de transformation 186.In 185, a membership test is carried out to determine whether the point having the intermediate variables as coordinates (R o , H o ) belongs to the triangle T k or not. To do this, tests of successive comparisons of coordinates are made according to a conventional research method well known to those skilled in the art who knows, knowing the coordinates of a point in a determined plane, to which region of this plane belongs this point. If
En 186, on affecte aux coordonnées (R, H) contenues en mémoire de nouvelles valeurs correspondant à la transformée des coordonnées (Col,Lig), au moyen des équations (1) et (2) écrites plus haut, permettant de calculer à partir des coefficients βij lus en 184 les coordonnées (R, H) considérées.In 186, new values corresponding to the transform of the coordinates (Col, Lig) are assigned to the coordinates (R, H) contained in the memory, using equations (1) and (2) written above, making it possible to calculate from coefficients β ij read in 184 the coordinates (R, H) considered.
En 187, on procède au test consistant à déterminer si les coordonnées (R, H) sont respectivement égales ou non aux coordonnées intermédiaires (Ro, Ho). Dans la négative, on revient à l'étape 182 ; si le test 187 est positif, cela signifie que les coordonnées (R, H) en mémoire sont effectivement celles du point source du point image (Lig, Col) traité.In 187, the test consists in determining whether the coordinates (R, H) are respectively equal or not to the intermediate coordinates (R o , H o ). If not, we return to step 182; if the
On inscrit ces coordonnées (R, H) dans le fichier spatial FSa.These coordinates (R, H) are entered in the spatial file FSa.
En résumé, au cours de l'étape itérative de transformation, il est effectué les opérations suivantes :
- - une opération de recherche au cours de laquelle on recherche la zone d'interpolation Tk à laquelle le point source appartient, ainsi que les coefficients d'interpolation βij associés à cette zone. On observera qu'au lieu d'effectuer cette recherche dans l'espace source, comme dans le mode de réalisation décrit, il est possible, sans sortir du cadre de l'invention, de l'effectuer dans le plan image de la caméra
13a ou 13b, - - une opération de calcul au cours de laquelle on calcule les coordonnées spatiales (R,H) par application concomitante des formules de transformation (1) et d'interpolation (2).
- a search operation during which the interpolation zone T k to which the source point belongs is sought, as well as the interpolation coefficients β ij associated with this zone. It will be observed that instead of carrying out this search in the source space, as in the embodiment described, it is possible, without departing from the scope of the invention, to carry it out in the image plane of the
13a or 13b,camera - - a calculation operation during which the spatial coordinates (R, H) are calculated by concomitant application of the transformation (1) and interpolation (2) formulas.
On constitue de même un fichier spatial FSb à partir des coordonnées contenues dans le fichier Flb.A spatial file FSb is likewise constituted from the coordinates contained in the file Flb.
Il convient d'observer que pour un même point spatial, les coordonnées cylindriques déterminées à partir des coordonnées image dans le fichier Fla et dans le fichier Flb devraient être les mêmes. En pratique, elles seront identiques aux erreurs optiques et d'arrondi près.It should be noted that for the same spatial point, the cylindrical coordinates determined from the image coordinates in the Fla file and in the Flb file should be the same. In practice, they will be identical to optical and rounding errors.
On observera que le procédé de transformation décrit ci-dessus utilise peu de mémoire puisqu'en l'espèce, il suffit de mémoriser par triangle Tk :
- - son numéro (une information),
- - les coordonnées spatiales de ses sommets (six informations),
- - les βij associés (24 informations),
soit trente et une informations par triangle. Il y a donc un total de 992 informations à mémoriser, ce qui est relativement faible à comparer aux informations qui devraient être mémorisées s'il fallait mémoriser dans une seule mémoire les coordonnées transformées pour chacun des 1024 pixels de chacune des 316 lignes des caméras 13, soit au total 323.584 informations).It will be observed that the transformation method described above uses little memory since in this case, it suffices to memorize by triangle T k :
- - his number (information),
- - the spatial coordinates of its vertices (six pieces of information),
- - the associated β ij (24 pieces of information),
or thirty-one pieces of information per triangle. There is therefore a total of 992 pieces of information to store, which is relatively small compared to the information which would have to be stored if the transformed coordinates had to be stored in a single memory for each of the 1024 pixels of each of the 316 lines of the
Les coordonnées spatiales contenues dans les fichiers FSa et FSb sont fusionnées en 173 en un seul fichier FS. Cette fusion permet de compléter avec les coordonnées des points de l'un des fichiers les coordonnées absentes dans l'autre.The spatial coordinates contained in the FSa and FSb files are merged in 173 into a single FS file. This fusion makes it possible to complete with the coordinates of the points of one of the files the coordinates absent in the other.
C'est à ce niveau du procédé qu'est solutionné le problème des points qui n'ont pu être filmés par les deux caméras (parties cachées) : les parties cachées pour une caméra ont pu être filmées par l'autre (voir figure 2). En procédant à la fusion des fichiers FSa et FSb, on réalise un fichier unique FS dans lequel en théorie l'ensemble de la surface du buste est échantillonné (sous réserve des points manquants ou aberrants dans les deux fichiers pour les raisons mentionnées plus haut).It is at this level of the process that the problem of points which could not be filmed by the two cameras (hidden parts) is solved: the parts hidden for one camera could have been filmed by the other (see Figure 2 ). By merging the FSa and FSb files, we create a single FS file in which in theory the entire surface of the bust is sampled (subject to missing or outliers in the two files for the reasons mentioned above) .
La fusion s'opère en utilisant l'un des fichiers, le fichier FSa, comme fichier pilote et en complétant les coordonnées manquantes dans ce fichier par celles existant éventuellement dans le fichier FSb.The merger takes place using one of the files, the FSa file, as a pilot file and by completing the missing coordinates in this file with those possibly existing in the FSb file.
Comme expliqué plus haut, à l'appui de la figure 4, chaque profil On peut :
- - soit présenter des absences de points,
- - soit comporter des points aberrants.
- - either present missing points,
- - or include outliers.
Le but de l'étape présentement décrite, qui est dite "d'homogénéisation", est d'éliminer les points aberrants et de reconstituer les coordonnées des points manquants. Cette étape comporte une opération dite "d'intégration", une opération de "filtrage" et une opération dite de "reconstitution".The purpose of the step described above, which is called "homogenization", is to eliminate the outliers and to reconstruct the coordinates of the missing points. This step includes an operation called "integration", an operation of "filtering" and an operation called "reconstruction".
En figure 10, il est illustré cinq profils source (θn-2, θn-1, θn, θn+1, θn+2). On observe que ces profils concernent cinq positions successives du siège 10'. Ils ont été illustrés dans le référentiel associé au buste 20 (X', Y', Z).In Figure 10, five source profiles are illustrated (θ n-2 , θ n-1 , θ n , θ n + 1 , θ n + 2 ). It is observed that these profiles relate to five successive positions of the seat 10 '. They have been illustrated in the frame of reference associated with bust 20 (X ', Y', Z).
Le profil source en cours de traitement est le profil θn. Pour chacun des points traités :
- Pi,n = (Ri, Hi,θn). on effectue les opérations suivantes :
- - on détermine tout d'abord les points voisins du point (Ri, Hi, θn) considéré. A cet égard, on considère les 2p+ 1 profils allant de θn-p à θn+p. Dans l'exemple illustré en figure 10, p = 2 et par conséquent, on considère les cinq profils allant de θn-2 à θn+2.
- Pi, n = (Ri, H i , θ n ). the following operations are carried out:
- - we first determine the neighboring points of the point (Ri, H i , θ n ) considered. In this respect, we consider the 2p + 1 profiles ranging from θ np to θ n + p . In the example illustrated in Figure 10, p = 2 and therefore, we consider the five profiles ranging from θ n-2 to θ n + 2 .
Sur chaque profil source θj ainsi considéré, on sélectionne les 2k + 1 points allant de (Ri-k, Hi-k, θj) à (Ri+k, Hi+k, θj). Dans l'exemple considéré, en figure 10, on a choisi pour valeur de k : k = 2.On each source profile θ j so considered, are selected 2k + 1 points from (Ri- k, Hi k, θ j) (R i + k, H i + k, θ j). In the example considered, in FIG. 10, the value of k has been chosen: k = 2.
Cela détermine ainsi (2p+1) x (2k+1) points voisins de (Ri, Hi, θn) y compris ce point en cours de traitement.This thus determines (2p + 1) x (2k + 1) points close to (Ri, Hi, θ n ) including this point being processed.
Dans le mode de réalisation représenté, il y a donc un total théorique de 25 points voisins au point Pi,n en cours de traitement, y compris ce dernier.In the embodiment shown, there is therefore a theoretical total of 25 points neighboring the point Pi, n being processed, including the latter.
On calcule ensuite la moyenne R des ordonnées en R et la moyenne H des ordonnées en Z de chacun de ces 25 points.The average R of the ordinates in R and the average H of the ordinates in Z of each of these 25 points are then calculated.
Dans l'hypothèse où des points sont manquants, la moyenne est effectuée en diminuant le diviseur commun (25 dans un cas normal), d'autant d'unités que de points sont manquants.In the event that points are missing, the average is carried out by decreasing the common divisor (25 in a normal case), by as many units as points are missing.
Si le point "traité" Pi,n n'est pas manquant (bit 14 à 1 dans le tableau 1), on effectue l'opération de filtrage.If the point "processed" Pi, n is not missing (
Le filtrage a pour but de permettre l'élimination des points aberrants. Pour chacun des points traités, on calcule la valeur absolue Ri - R 1.The purpose of filtering is to allow the elimination of outliers. For each of the points treated, the absolute value R i -
Si cette valeur est supérieure à une valeur d'erreur donnée E, paramétrable, on élimine le point (Ri, Hi, θn).If this value is greater than a given error value E, which can be configured, the point (Ri, H i , θ n ) is eliminated.
La valeur donnée E est déterminée par l'expérience, compte tenu de l'objet que l'on cherche à reproduire. S'agissant par exemple du visage d'une personne, pour certaines zones, on sait que le risque d'obtenir des points aberrants est particulièrement élevé et que ces points aberrants risquent d'être disposés à une distance relativement importante du profil. Dans un tel cas, on choisira pour valeur E, une valeur de quelques centimètres, 3 cm par exemple.The given value E is determined by experience, taking into account the object that one seeks to reproduce. As regards for example the face of a person, for certain zones, it is known that the risk of obtaining outliers is particularly high and that these outliers may be placed at a relatively large distance from the profile. In such a case, a value of a few centimeters, 3 cm for example, will be chosen for value E.
En revanche, dans d'autres cas, les erreurs et les points aberrants seront peu nombreux et en tous cas relativement proches du profil. Dans un tel cas, on choisira comme valeur E, une valeur faible de l'ordre de quelques millimètres, 3 mm par exemple.On the other hand, in other cases, the errors and outliers will be few and in any case relatively close to the profile. In such a case, a low value of the order of a few millimeters, 3 mm for example, will be chosen as the value E.
On observera en plus, selon une caractéristique de l'invention, que ladite valeur donnée E peut être paramétrable compte tenu du profil analysé. Ainsi, dans certaines zones du visage, telles que le nez, on choisira une valeur E relativement importante, puisque le profil est susceptible d'avoir d'importantes variations de sa coordonnée R, tandis que, pour les profils concernant la nuque, on choisira une valeur E relativement faible, puisque le profil n'a que des variations de sa coordonnée R de faible amplitude.It will also be observed, according to a characteristic of the invention, that said given value E can be configurable taking into account the profile analyzed. Thus, in certain areas of the face, such as the nose, a relatively large value E will be chosen, since the profile is likely to have significant variations in its R coordinate, while, for the profiles relating to the nape of the neck, we will choose a relatively low value E, since the profile has only variations of its coordinate R of small amplitude.
Dans le cas où le point (R;, Hi, θn) "traité" est manquant (bit 14 à 0, Cf. tableau I), ou s'il est filtré, comme exposé ci-dessus, on effectue l'opération dite de reconstitution au cours de laquelle on affecte au point (Ri, Hi, θn), les valeurs moyennes calculées R, H, lors de l'étape d'initialisation.In the case where the "processed" point (R ;, H i , θ n ) is missing (
La figure 5 est une vue correspondant à la figure 4, dans laquelle les points représentés sont les points source en coordonnées cylindriques, et dans laquelle les points aberrants et manquants ont été reconstitués, comme exposé ci-dessus (points Pr).FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4, in which the points represented are the source points in cylindrical coordinates, and in which the outliers and missing points have been reconstructed, as explained above (points P r ).
Le fichier FS est complété au fur et à mesure du traitement des points (Ri, Hi θn) par les coordonnées de tous les points Pr reconstitués.The FS file is completed as the points (R i , H i θ n ) are processed by the coordinates of all the points P r reconstituted.
On notera que l'étape d'homogénéisation d'un profil On qui vient d'être décrite met en oeuvre les coordonnées cylindriques, après reconstitution des coordonnées cylindriques du point source à partir des coordonnées de son image.It will be noted that the stage of homogenization of a profile On which has just been described implements the cylindrical coordinates, after reconstitution of the cylindrical coordinates of the source point from the coordinates of its image.
Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, il est tout à fait envisageable d'intervertir les étapes de reconstitution et d'homogénéisation et de procéder à l'étape d'homogénéisation en coordonnées image puis de procéder ensuite à une transformation ou à la reconstitution des coordonnées cylindriques de l'ensemble des points source à partir des points image d'origine ou des points "image" reconstitués. On observera en effet que, d'une manière générale, la phase d'homogénéisation est une phase au cours de laquelle pour chaque point traité (que ce dernier soit considéré dans l'espace source ou dans le plan image), on considère un nombre prédéterminé de points voisins, on calcule les coordonnées moyennes de ces points, si le point traité est absent, ou si l'une au moins de ses coordonnées diffère de la coordonnée moyenne correspondante d'un écart supérieur à une valeur prédéterminée (E), on affecte au point traité lesdites coordonnées moyennes.In another embodiment of the present invention, it is entirely possible to invert the stages of reconstitution and homogenization and to proceed to the stage of homogenization in image coordinates and then to proceed with a transformation or the reconstruction of the cylindrical coordinates of all the source points from the original image points or from the reconstructed "image" points. It will indeed be observed that, in general, the homogenization phase is a phase during which for each point treated (whether the latter is considered in the source space or in the image plane), a number is considered predetermined neighboring points, the mean coordinates of these points are calculated, if the treated point is absent, or if at least one of its coordinates differs from the corresponding mean coordinate by a deviation greater than a predetermined value (E), the said mean coordinates are assigned to the point treated.
L'outil utilisé se présente essentiellement sous la forme d'une fraise disposée en bout d'un arbre appartenant à un robot susceptible de commander la position de cet arbre dans l'espace.The tool used is essentially in the form of a cutter placed at the end of a tree belonging to a robot capable of controlling the position of this tree in space.
On conçoit que la position de la fraise doit être déterminée au moins par trois coordonnées. En l'espèce, les coordonnées (R, H, θ) seront utilisées.It is understood that the position of the cutter must be determined at least by three coordinates. In this case, the coordinates (R, H, θ) will be used.
Mais il faut, de surcroît, que l'arbre portant la fraise soit disposé selon une direction sensiblement normale à la surface à reproduire, de telle sorte que la matière soit attaquée sous un angle favorable.However, it is also necessary for the shaft carrying the cutter to be arranged in a direction substantially normal to the surface to be reproduced, so that the material is attacked from a favorable angle.
Pour ce faire, le robot doit être capable de déterminer non seulement la position de la fraise selon les trois coordonnées cylindriques, mais en plus la direction générale de l'arbre (deux degrés de liberté supplémentaires).To do this, the robot must be able to determine not only the position of the cutter according to the three cylindrical coordinates, but in addition the general direction of the tree (two additional degrees of freedom).
L'arbre porte-outil sera orienté selon une direction dite normale à la surface si deux conditions se trouvent réunies :
- - d'une part, il faut que la projection de l'arbre dans le plan θn auquel appartient le point traité: Pi,n : (Ri, H;, θn) soit normale au profil auquel appartient ce point,
- - et, d'autre part, que la projection de l'arbre dans un plan perpendiculaire sécant Si, passant par le point traité Pi,n soit également normale à la trace de la surface à reproduire dans ce plan sécant. Dans la suite, on appellera "trace sécante" la trace laissée dans le plan Si par la surface à reproduire.
- - on the one hand, the projection of the tree in the plane θ n to which the treated point belongs: P i, n : (Ri, H ;, θ n ) must be normal to the profile to which this point belongs,
- - And, on the other hand, that the projection of the tree in a perpendicular secant plane Si, passing through the treated point Pi, n is also normal to the trace of the surface to be reproduced in this secant plane. In the following, we will call "secant trace" the trace left in the plane Si by the surface to be reproduced.
En figure 11, on a illustré sous la référence
Ainsi, en plus des trois degrés de liberté nécessaires pour commander la position de l'axe de l'outil, le robot qui commande cette position, ainsi que la position de l'arbre, doit être capable de maîtriser deux degrés de liberté supplémentaires. Les deux coordonnées supplémentaires que le robot doit maîtriser sont des rotations. L'une autour de l'axe des Z (perpendiculaire au plan Si), l'autre autour d'un axe perpendiculaire à l'axe des Z, l'axe Y en l'espèce.Thus, in addition to the three degrees of freedom necessary to control the position of the axis of the tool, the robot which controls this position, as well as the position of the shaft, must be able to control two additional degrees of freedom. The two additional coordinates that the robot must master are rotations. One around the Z axis (perpendicular to the Si plane), the other around an axis perpendicular to the Z axis, the Y axis in this case.
Le robot et l'outil utilisés sont ici du type NC-TRIAX-R6-2-TWIST, fabriqué par la Société italienne CMS.The robot and the tool used are here of the NC-TRIAX-R6-2-TWIST type, manufactured by the Italian company CMS.
Un problème se pose lorsque la surface à usiner comporte plusieurs parties concaves, l'une de celles-ci étant représentée en figures 12 et 14. En effet, dans une telle partie concave, il risque de se produire une collision outil-matière. Ainsi, figure 12, au point critique Pc, la direction de la projection de la normale est D. Or, cette direction intercepte le profil non seulement au point Pc mais également au point Pin de telle sorte que si l'arbre de l'outil prenait une telle direction, il y aurait collision avec la matière.A problem arises when the surface to be machined comprises several concave parts, one of these being shown in FIGS. 12 and 14. Indeed, in such a concave part, there is a risk of a tool-material collision. Thus, figure 12, at the critical point Pc, the direction of the projection of the normal is D. Now, this direction intercepts the profile not only at the point Pc but also at the point Pin so that if the tool shaft would take such a direction, there would be collision with matter.
Le même problème se pose d'ailleurs dans le plan Si, figure 14.The same problem also arises in the Si plane, Figure 14.
Pour pallier cet inconvénient, il faut déterminer une direction dite de "normale rectifiée" permettant d'éviter cette collision et, dans ce but, s'écartant de la normale. Cette direction a été illustrée pour le point Pc en figure 13, sous la référence
- - estimation de la normale
N θ n.i, - - détection des parties concaves dans le plan θn et calcul de la direction de la projection des normales rectifiées dans le plan θn,
- - détection des parties concaves dans le plan Si et calcul de la direction de la projection des normales rectifiées dans le plan Si.
- - normal estimate
NOT θ nor , - - detection of the concave parts in the plane θ n and calculation of the direction of the projection of the normals rectified in the plane θ n ,
- - detection of the concave parts in the Si plane and calculation of the direction of the projection of the normals rectified in the Si plane.
La détermination de la normale du point traité Pi,n va se faire, compte tenu des quatre points les plus proches P2-P5, figure 10. Pour déterminer cette normale : on procède au calcul des produits vectoriels suivants :
On norme les vecteurs
On calcule la somme des quatre vecteurs normés:
Le vecteur résultant est ensuite normé, ce qui donne le vecteur
Le traitement ci-dessus s'effectue pour chacun des points (Ri, Hi, θn) du fichier FS.The above processing is carried out for each of the points (R i , Hi, θ n ) of the FS file.
On crée un fichier FN comportant, pour chacun des points Pi,n, les coordonnées du vecteur associé
On considère les vecteurs et les coordonnées suivants :
- - DN" θn,j : projection normée de
N θn,i dans le plan θn, - - RN; et HNi : les composantes de ce vecteur dans le plan θn (figure 11).
- - DN "θ n, j : normalized projection of
NOT θ n, i in the plane θ n , - - RN; and HNi: the components of this vector in the plane θ n (Figure 11).
On considère les deux points voisins de (Ri, Hi, θn) respectivement (Ri-1, Hi-1, θn) et (Ri+1, Hi+1, θn) sur le profil θn et la projection normée
On calcule le produit vectoriel suivant :
Si le coefficient QDi est positif, cela signifie que le méridien est convexe au point traité. S'il est négatif, cela signifie que le méridien est concave.If the coefficient QD i is positive, this means that the meridian is convex at the point treated. If it is negative, it means that the meridian is concave.
Si le méridien est convexe, on inscrit dans le fichier FS les coordonnées du vecteur
Si le coefficient QDi est négatif, on calcule le vecteur :
-
DN θn,i-1 +DN θn,i+1 (3.2) - On norme ce vecteur, ce qui donne le vecteur
ED θn,i - On inscrit dans le fichier FS les coordonnées du vecteur
ED θn,i. - On traite tous les points Pi,n du fichier FS.
- On dispose à ce moment d'un fichier FS comportant, d'une part les coordonnées spatiales de chacun des points Pi,n et, d'autre part associées à chacun des points considérés, les coordonnées :
- - soit de la projection DN" θn,i de la normale
N θn,j dans le plan θn, - - soit du vecteur
ED θn,i qui est une estimation de la direction de la projection de la direction de l'arbre porte-outil dans le plan θn, pour minimiser le risque d'interférence entre porte-outil et matière, mentionné plus haut.ED θn,i est appelé "normale rectifiée dans le plan θn".
- - soit de la projection DN" θn,i de la normale
-
DN θn, i-1 +DN θ n, i + 1 (3.2) - We normalize this vector, which gives the vector
ED θ n, i - We write in the FS file the coordinates of the vector
ED θn, i . - We treat all the points P i, n of the file FS.
- At this time, there is a file FS comprising, on the one hand the spatial coordinates of each of the points P i, n and, on the other hand associated with each of the points considered, the coordinates:
- - either of the projection DN "θ n, i of the normal
NOT θ n, j in the plane θn, - - either of the vector
ED θ n, i which is an estimate of the direction of the projection of the direction of the tool-holder shaft in the plane θ n , to minimize the risk of interference between tool-holder and material, mentioned above.ED θ n, i is called "normal rectified in the plane θ n ".
- - either of the projection DN "θ n, i of the normal
Lorsque l'ensemble des points est traité, on recommence le traitement ci-dessus, en utilisant, dans les formules (3.1) et (3.2) ci-dessus, soit les coordonnées du vecteur
Ce processus est recommencé un nombre prédéterminé de fois (trois dans cet exemple). En réalité, la direction
On rappelle tout d'abord que le plan Si est un plan perpendiculaire aux divers plans θn et interceptant l'axe des Z au niveau de la coordonnée Hi, figures 14 et 15. Ce plan est parallèle au plan XY illustré en figure 3.First of all, it is recalled that the plane Si is a plane perpendicular to the various planes θ n and intercepting the axis of Z at the level of the coordinate H i , FIGS. 14 and 15. This plane is parallel to the plane XY illustrated in FIG. 3 .
On considère également la trace sécante laissée par la surface du buste 20 dans le plan Si : Si désignant donc soit le plan, soit la trace sécante.We also consider the secant trace left by the surface of the
On considère les vecteurs et les coordonnées suivantes :
- - SNθn,i : projection normée de
N θ n,1 dans le plan Si, - - RSi et YSi les composantes de ce vecteur dans le plan Si.
- - SN θn, i : normalized projection of
NOT θ n , 1 in the plane S i , - - RS i and YS i the components of this vector in the Si plane.
On considère un point traité (Ri, Hi, θn). On considère les deux points voisins de ce point respectivement (Ri, Hi θn-1) et (Ri, Hi, θn+1) sur la trace sécante Si et la projection normée
On calcule le produit vectoriel suivant :
QSi = (RSi+1 * YSi+1) - (RSi+1 * YSi-1) (4.1)We calculate the following vector product:
QSi = (RS i + 1 * YS i + 1 ) - (RS i + 1 * YSi-1) (4.1)
Si le coefficient QSi est positif, cela signifie que la trace sécante est convexe au point traité. S'il est négatif, cela signifie que la trace est concave.If the coefficient QS i is positive, this means that the secant trace is convex at the point treated. If it is negative, it means that the trace is concave.
Si la trace est convexe, on inscrit dans le fichier FS les coordonnées du vecteur
Si le coefficient QSi est négatif, on calcule le vecteur
-
SN θn-1,i +SN θn+1,i (4.2) - On nomme ce vecteur, ce qui donne le vecteur
ES θn,i. - On inscrit dans le fichier FS les coordonnées du vecteur
ES θn,i. - On traite tous les points Pi,n du fichier FS.
- On dispose à ce moment d'un fichier FS comportant, d'une part les coordonnées spatiales de chacun des points, et les coordonnées de la projection dans le plan On de la normale réelle ou rectifiée, (respectivement DNe n,i et EDθn.i, et, d'autre part, les coordonnées :
- - soit de la projection
SN θn.i de la normale deN θn,i dans le plan Si, - - soit du vecteur
ES θn,i qui est une estimation de la direction de la projection de la direction de l'arbre porte-outil dans le plan Si minimisant le risque d'interférence entre le porte-outil et la matière mentionnée plus haut.ES θn,i est appelé "normale rectifiée dans le plan Si".
- - soit de la projection
- Comme précédemment, ce processus est recommencé un nombre prédéterminé de fois (trois dans cet exemple). Ainsi, la direction
ES θn,i estimée au point considéré, après trois itérations, est telle que le risque de collision outil-matière mentionné plus haut est minimisé.
-
SN θn-1, i +SN θn + 1, i (4.2) - We name this vector, which gives the vector
ES θn, i . - We write in the FS file the coordinates of the vector
ES θn, i . - We treat all the points P i, n of the file FS.
- At this moment, we have an FS file comprising, on the one hand, the spatial coordinates of each of the points, and the coordinates of the projection in the On plane of the real or rectified normal, (respectively DN e n, i and ED θn.i , and, on the other hand, the coordinates:
- - either projection
SN θ nor the normal ofNOT θn, i in the plane Si, - - either of the vector
ES θn, i which is an estimate of the direction of the projection of the direction of the tool-holder shaft in the plane Si minimizing the risk of interference between the tool-holder and the material mentioned above.ES θn, i is called "normal rectified in the plane Si".
- - either projection
- As before, this process is repeated a predetermined number of times (three in this example). So the management
ES θn, i estimated at the point considered, after three iterations, is such that the risk of tool-material collision mentioned above is minimized.
Lorsque l'étape définie au paragraphe 5.3 précédent est terminée, le fichier FS comporte finalement pour chaque point Pi,n :
- - les trois coordonnées du point Pi,n (Ri, Hi, θn),
- - les deux coordonnées dans le plan θn du vecteur DNθ n,i ou du vecteur rectifié EDθ n,i. Ces deux coordonnées définissent la direction de l'outil dans le plan 9n.
- - les deux coordonnées dans le plan Si du vecteur SNθn,i ou du vecteur rectifié ESθn,i. Ces deux coordonnées définissent la direction de l'outil dans le plan Si.
- - the three coordinates of the point P i, n (Ri, Hi, θ n ),
- - the two coordinates in the plane θ n of the vector DN θ n, i or of the rectified vector ED θ n, i . These two coordinates define the direction of the tool in the plane 9n.
- - the two coordinates in the plane Si of the vector SN θn, i or of the rectified vector ES θn, i . These two coordinates define the direction of the tool in the Si plane.
Ce fichier est alors transféré dans la machine-outil 18.This file is then transferred to the
La machine-outil 18 sera donc pilotée à partir des trois coordonnées (Ri, Hi θn) et des deux directions susmentionnées. Il est à noter que la machine-outil CMS utilisée ici est tout à fait adaptée pour être pilotée de façon automatique dès lors que les coordonnées ci-dessus lui sont délivrées sous un format équivalent et approprié bien connu de l'homme de l'art, notamment celui familier des post-processeurs.The
Grâce à ces caractéristiques, l'outil attaquera la matière selon l'angle le plus favorable tout en évitant, ou, à tout le moins, en minimisant les risques de collisions porte-outil - matière mentionnés plus haut.Thanks to these characteristics, the tool will attack the material from the most favorable angle while avoiding, or at the very least, minimizing the risk of tool-carrier collisions mentioned above.
Il faut toutefois observer que dans certains cas (rares) de forte concavité, les coefficients QDi et QS; calculés après trois itérations ne seront pas positifs, et que dans de tels cas, une collision outil-matière est susceptible de se produire. La Demanderesse a constaté que ces cas sont rares, et, en pratique, s'agissant de vidéo sculpture d'un visage, inexistants. Cependant, pour la reproduction de volumes très tourmentés, il est possible de prévoir une alarme avec intervention manuelle permettant de corriger la direction de l'arbre porte-outil en cas de très forte concavité (cas d'une cavité par exemple). Il n'en reste pas moins que, grâce à l'invention, ces cas d'intervention manuelle restent fortement minimisés.It should however be observed that in certain (rare) cases of strong concavity, the coefficients QDi and QS; calculated after three iterations will not be positive, and that in such cases, a tool-material collision is likely to occur. The Applicant has found that these cases are rare, and, in practice, in the case of video sculpture of a face, nonexistent. However, for the reproduction of very tormented volumes, it is possible to provide an alarm with manual intervention making it possible to correct the direction of the tool-holder shaft in the event of very strong concavity (in the case of a cavity for example). The fact remains that, thanks to the invention, these cases of manual intervention are greatly minimized.
L'ensemble des étapes de calcul décrites depuis le paragraphe 3 ci-dessus, de même que, d'une façon générale, la gestion de l'ensemble du procédé et notamment le contrôle et la commande des fonctions et des processus décrits à l'appui des figures 8 et 9, ainsi que celles de la machine outil, sont assurés par le micro-ordinateur 21. Ce contrôle et cette gestion sont de nature classique, quoique adaptée au procédé qui vient d'être décrit. C'est pourquoi, ils ne seront pas décrits plus en détail ici.All of the calculation steps described from paragraph 3 above, as well as, in general, the management of the entire process and in particular the control and command of the functions and processes described in support of FIGS. 8 and 9, as well as those of the machine tool, are provided by the
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Bien au contraire, en plus des variantes déjà indiquées, elle englobe toute autre variante à la portée de l'homme de l'art.Of course, the present invention is in no way limited to the embodiments described and shown. On the contrary, in addition to the variants already indicated, it encompasses any other variant within the reach of those skilled in the art.
Claims (11)
(2) ai = βi1Col + Pi2Lig + βi3
ce procédé consiste en outre, dans ladite phase de traitement, pour déterminer les coordonnées spatiales (R, H) d'un point source dont on connaît les coordonnées images (Col,Lig) de son image, à effectuer les opérations suivantes :
(2) ai = β i1 Col + Pi 2 Lig + β i3
this method also consists, in said processing phase, in determining the spatial coordinates (R, H) of a source point whose image coordinates (Col, Lig) of its image are known, in carrying out the following operations:
et, pour chaque point, on dirige l'outil selon la direction des vecteurs effectivement associés audit point, dans le plan de son profil (θn) et dans celui de la trace sécante (Si) à laquelle il appartient.
and, for each point, the tool is directed in the direction of the vectors actually associated with said point, in the plane of its profile (θ n ) and in that of the secant trace (S i ) to which it belongs.
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